과학기술정보통신부는 17일 김근수 연세대 교수 연구팀이 고체 물질 속에서 전자가 액체와 고체의 특징을 모두 가지고 있는 전자결정 조각을 세계 최초로 발견했다고 밝혔다.
고체물질 속 전자결정 조각을 형상화한 그림. 김근수 연세대 교수 제공 |
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고체 물질 속에서 원자는 규칙적 배열을 이뤄 움직일 수 없지만, 기체처럼 자유롭게 움직일 수 있는 전자는 흐름을 통해 전류를 만들어낸다.
전자는 기체 분자처럼 자유롭게 존재하지만 규칙적인 배열을 만들어 전자결정 상태로 만들 수 있다는 것이 노벨 물리학상 수상자인 헝가리 물리학자 유진 위그너의 이론이다.
이 전자결정을 만들 수 있다면 영하 240도 이상 높은 온도에서 저항이 사라지는 물질인 고온 초전도체나 극저온에서 점성이 사라지는 초유체 같은 물질의 비밀에 접근할 수 있다. 전자결정은 물리학계에서 수십년간 수많은 연구자가 연구해온 난제였다.
연구팀은 전자결정의 존재를 입증하기 위해 강한 빛을 쪼이는 방사광가속기와 빛을 물체에 쪼이면 나오는 광전자의 정보를 분석하는 각분해광전자분광장치를 이용해 전자의 에너지와 운동량을 정밀 측정했다.
그 결과 기체나 고체일 경우 규칙성이 관측되는 것과 달리 미세한 전자결정 조각이 존재할 때 나타나는 독특한 불규칙성을 에너지와 운동량 관계에서 관측하면서 전자결정의 존재를 입증하는데 성공했다. 이 조각의 크기는 1~2나노미터(㎚·10억분의 1m) 수준으로, 머리카락 굵기의 만분의 1보다 작다.
고체 물질 속에서 전자가 액체와 고체의 특징을 모두 가지고 있는 전자결정의 존재를 입증한 김근수 연세대 교수(왼쪽)와 연구팀. 김 교수 제공 |
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김 교수는 “지금까지 학계에서는 전자의 규칙적 배열이 있는 경우와 없는 경우를 이분법적으로 인식해왔다”면서 “이번 연구는 짦은 거리 배열만 존재하는 제3의 상태를 인식하게 됐다는 점에서 의의가 있다”고 밝혔다.
김 교수는 이어 “초전도체를 찾을 때 새 물질을 만들어 특성을 찾는 방법도 있지만 무엇이 초전도 임계 온도를 높일 수 있는지 찾으면 물질 설계 가능성이 열린다”며 “전자결정 개념으로 고온 초전도 원리를 이해할 수 있다면 임계 온도 상승으로 이어질 수 있다”고 설명했다.
연구팀의 이번 연구성과는 국제학술지 ‘네이처(Nature)’에 실렸다.
국내 연구팀이 현대 물리학의 난제를 풀 실마리를 발견했다는 소식에 주가도 들썩였다. 특히 초전도체 테마주로 분류된 종목의 상승세가 매서웠다.
이날 코스닥 시장에서 모비스 주가는 전일 대비 23.56% 급등했고, 서남(5.18%)과 씨씨에스(4.32%) 파워로직스(3.09%), 덕성(2.76%), 원익피앤이(2.68%), 신성델타테크(1.58%) 등이 일제히 상승했다.
박세준 기자 3jun@segye.com
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